港大&中科院物理所 Nature Nanotechnology：人工合成系統實現群體智能！基于化學偶聯的復合物模擬自然界共生系統

【背景介紹】

復雜性系統一般特指由大量去中心化的基本單元集合而成的體系。在這種系統中，每個基本單元從個體上看很相似而且遵從一定的運動規則。通過大量個體單元的相互作用，復雜性系統涌現出神奇的集群行為、復雜的信息處理和自適應現象。例如自然界中的魚群、鳥群和菌群。近年來，人工合成活性物質由于其在生物醫學領域的潛在應用價值，以及可作為非平衡態物理和凝聚態物理的理想模型體系，從而引起了研究人員的興趣。值得注意的是，具有復雜功能的活性納米顆粒被認為是可以用于復雜任務的微型機器人。然而，由于尺寸所限，將復雜的邏輯電路整合到單個微納機器人中還面臨巨大的挑戰，限制了其功能。因此，目前需要探索利用大量簡單粒子，通過建立粒子間的相互作用網絡產生的集體智能，以實現高級復雜的功能。

【成果簡介】

近日，香港大學唐晉堯副教授和中科院物理研究所楊明成研究員（共同通訊作者）等人受到微生物共生系統的啟發，報道了一種由兩個化學偶聯物質組成的最小復雜系統，其中一個物質的“產物”正好是另一個物質的“營養物”。這種化學偶聯建立了兩個粒子的非互易性相互作用，實現了復雜的動態自組織和共識決策行為。通過粗粒度模型表明，顆粒間滲透相互作用和化學通訊機制對于形成群聚智能都是必不可少的。研究成果以題為“Ion-exchange enabled synthetic swarm”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文解讀】

圖一、不同物種間的交換信息及本研究所用的模型系統
（a）兩個獨立的活性粒子A和B的示意圖，其中黑點α和黃點β分別表示從A和B釋放的化學“廢物”；

（b）ZnO納米棒晶體結構的示意圖，優先在（0001）平面溶解；

（c）Zn²⁺和OH^-的異步擴散推動ZnO納米棒移動示意圖以及在20 μs內觀察到的ZnO納米棒在去離子水中的遷移軌跡；

（d）磺化PS之間的電滲相互作用示意圖；

（e）磺化PS通過正向趨化作用向浸有Zn²⁺的瓊脂糖凝膠遷移。

圖二、ZnO納米棒與磺化PS的離子交換作用
（a）ZnO納米棒和磺化PS之間的離子交換示意圖；

（b）單個ZnO納米棒的軌跡顯示與磺化PS組裝而增強了推進力；

（c）（b）中相應的ZnO納米棒的遷移速度；

（d）ZnO納米棒與磺化PS形成ZnO-磺化PS復合物，其中磺化PS的軌跡對應于它們的瞬時速度而著色；

（e）磺化PS的速度及其與ZnO納米棒分離距離的關系。

圖三、ZnO-磺化PS體系的3D速度場和pH分布
（a）在ZnO納米棒（Z=0??μm）附近的四個高度（Z=0, 6, 10, 14 μm）上，磺化PS的400個軌跡的3D速度場顯示粒子在沿著基底排出之前被吸引到基底上方的ZnO上；

（b）在共焦顯微鏡下，通過3D掃描記錄磺化PS的3D軌跡，紅色箭頭表示遷移方向；

（c-e）共焦顯微鏡測量了ZnO納米棒與磺化PS離子交換過程中的2D和3D pH區域值，并與數值模擬進行比較。

圖四、ZnO-磺化PS混合物的群聚行為的實驗和模擬研究
（a）磺化PS聚集在ZnO納米棒周圍，并且形成團簇；

（b）通過有吸引力的滲透作用，相鄰ZnO-磺化PS團簇的內聚力；

（c-d）游離磺化PS和ZnO-磺化PS團簇隊列行進；

（e）ZnO-磺化PS團簇進一步聚集；

（f）ZnO-磺化PS混合物的大規模集群行為;

（g）粗粒度的模擬結果由ZnO-磺化PS混合物的聚集所致；

（h）不具有依賴活性的ZnO-磺化PS混合物的粗粒度模擬。

圖五、不同邊界條件下ZnO-磺化PS復合物的宏觀圖
（a）培養皿中ZnO-磺化PS活性混合物（1 μg/ml ZnO納米棒和0.1 μg/ml 磺化PS顆粒）的相分離行為；

（b）ZnO-磺化PS系統在圓形限制下的模擬；

（c）具有不同限制幾何形狀的群體共識機制。

【小結】

綜上所述，作者展示了ZnO納米棒和磺化PS微球之間的離子交換相互作用，以及由此產生的集體智能行為。通過將ZnO納米棒和磺化PS微球混合，形成了ZnO-磺化PS復合物，并且從微觀到宏觀建立了群聚、相分離和集群共識行為。作者的數值模型表明，非互易性相互作用對于這些豐富的集體行為的出現至關重要。該研究結果表明，離子交換反應可能是構建活性粒子之間復雜的化學相互作用的一種通用工具，對于理解和設計新的響應性活性物質具有重要意義。

文獻鏈接：Ion-exchange enabled synthetic swarm（Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-020-00825-9）

通訊作者簡介

唐晉堯教授，于2003年在中國科學技術大學獲得學士學位（師從侯建國院士），2008年在美國哥倫比亞大學獲得博士學位（師從Professor Colin Nuckolls），并于2008-2012年在加州大學伯克利分校師從楊培東教授開展博士后研究工作。期間，一直致力于光電、熱電等納米器件以及納米催化體系的研究，在硅基熱電納米器件、單根納米線太陽能電池、單根納米管DNA測序、半導體設計光催化全分解水等領域做出了多項開創性工作。2012年加入香港大學化學系展開獨立工作以來，主要從事功能微納米機器人的設計開發、仿生智能膠體體系的設計、以及光電、熱電等納米器件的研究。迄今為止在Science, Nat. Nanotechnol., Proc. Natl. Acad. Sci., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., Acc. Chem. Res.等著名國際期刊上發表科研論文40篇左右，申請授權美國專利9項，論文總引用超過4200次，H-index為24。

團隊介紹

這項工作是由港大化學系納米材料研究課題組完成，課題組由唐晉堯副教授領導，團隊現有博士后2名，博士研究生9名。近5年內，團隊在納米材料領域，尤其是納米機器人領域發表了一系列重要成果，包括Nat.Nanotechnol. （2篇），Nat.Commun. （2篇），Adv.Mater. （2篇），Acc. Chem. Res. （1篇），ACS.Nano. (1篇) 等等。

詳見課題組主頁：https://chemistry.hku.hk/staff/jytang/jytang/main.htm

課題組現有軟物質研究方向博士后研究員的職位空缺，有活性軟物質體系物理和化學研究經驗的博士歡迎聯系咨詢。

本文由CQR編譯。

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